JP2006145011A - 磁気軸受装置及び回転機械並びに制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 制御安定性と回転損失の低減とを両立させた磁気軸受装置を提供する。
【解決手段】 回転軸と、該回転軸の半径方向及び中心軸方向を非接触支持する電磁石と、前記回転軸の半径方向及び中心軸方向の変位を検出する変位センサと、該変位センサからの変位信号に基づき前記電磁石への駆動電流を制御する磁気軸受制御部とから成る磁気軸受装置であって、前記磁気軸受制御部は、変位を変数とした増減特性を有する関数によりコントローラゲインを設定するという手段を採用する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、磁気軸受装置及び回転機械並びに制御方法に関する。

例えば特開平１０−１９０４２号公報には、回転体の回転速度が危険速度を通過する際の異常振動を抑制して回転体の安定制御を実現する磁気軸受装置が開示されている。上記危険速度は、共振に起因して回転体が異常振動をする速度領域であり、磁気軸受装置は、この危険速度を通過するときだけ制御系のコントローラゲインをステップ的に増加させることにより電磁石による回転体の振動抑制力を増大させ、以って安定制御を実現するものである。

一方、特開２００１−１６５１６４号公報には、磁気軸受の制御に非線形ゼロパワー制御を採用することにより回転体の回転損失を低減する技術が開示されている。この技術では、回転体の位置に応じて駆動電流を流すべき電磁石を選択し、かつ、この選択した電磁石に当該電磁石と回転体とのギャップに応じた駆動電流を流すものである。これにより、回転体の回転損失を低減し、以って無駄な電力損失や発熱を避けることができる。例えば真空ポンプやフライホイール電力貯蔵装置等の高速回転機械では回転損失に起因する電力損失や発熱を抑制することが要求されており、上記非線形ゼロパワー制御は、このような要求に応える技術である。
特開平１０−１９０４２号公報 特開２００１−１６５１６４号公報

ところで、回転体の異常振動は、上述した共振に起因するものばかりではない。例えば地震等によって回転体に外力が作用し、この結果として回転体が異常振動を起こす場合も考えられる。上記特許文献１の磁気軸受装置は、回転体の回転速度に基づいてコントローラゲインを変化させるものなので、上記回転速度とは無関係な原因に基づく回転体の振動を抑制することができない。

また、特許文献２に記載された非線形ゼロパワー制御は、駆動電流を流す電磁石を選択するために駆動電流のスイッチングを行うため、駆動電流に大きな高周波成分が発生する。そして、この高周波成分は電磁石の発生磁束に磁束変動を生じさせ、この磁束変動が回転損失低減の妨げとなるという問題がある。上記高周波成分の低減方法としてローパスフィルタを用いることが考えられるが、この場合には、フィルタによる駆動電流の位相遅れが発生するため制御安定性の面では好ましくない。また、上記高周波成分の他の低減方法として、コントローラゲインを下げることが考えられるが、この方法は、上述した危険速度の通過時や外力による異常振動を抑制するためにはコントローラゲインを上げる必要があるので、回転体の安定制御と相反する。

上記のように、従来技術では制御安定性を確保しつつ、さらに回転損失低減を行うことは困難であった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、以下の点を目的とするものである。
（１）回転速度に関係する原因及び回転速度とは無関係な原因に拘わりなく回転体の変位を抑制して、より確実な回転体の安定制御を実現する。
（２）回転体の安定制御と回転損失の低減とを両立させた回転体の制御を実現する。

上記課題を解決するために、本発明では、磁気軸受装置に係わる第１の解決手段として回転体と、該回転体の半径方向及び中心軸方向を非接触支持する電磁石と、前記回転体の半径方向及び中心軸方向の変位量を検出する変位センサと、該変位センサからの変位信号に基づいて前記電磁石をフィードバック制御する磁気軸受制御部とから成る磁気軸受装置において、前記磁気軸受制御部は、前記変位量を変数とした増減特性を有する関数によりコントローラゲインを設定する、という手段を採用する。
この発明によれば、コントローラゲインを変位量を変数とした増減特性を有する関数により設定するので、回転体の変位量が大きくなった場合はコントローラゲインが大きくなる。従って回転速度に関係する原因（危険速度）及び回転速度とは無関係な原因（地震等）に拘わり無く、回転体を安定制御することができる。
一方、高速回転時等、回転体の変位量が小さい時は、コントローラゲインも小さくなり、回転損失を低減することができる。

また、磁気軸受装置に係わる第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、増減特性を有する関数は連続関数である、という手段を採用する。
コントローラゲインを急激に変化させると、コントローラゲインの切り換えの際に発生する過渡応答により回転体に過大な振動が生じるという問題がある。これに対して、この発明によれば、回転体の変位量に応じてコントローラゲインを連続的に変化させるので、上記のような過渡応答を防止することができる。

また、磁気軸受装置に係わる第３の解決手段として、上記第１及び第２の解決手段において、磁気軸受制御部の制御手法として、非線形ゼロパワー制御を用いる、という手段を採用する。
この発明によれば、非線形ゼロパワー制御を用いることにより、回転体の変位量が大きい場合はコントローラゲインを上げて回転体の制御安定性を確保しつつ、無駄な電力消費や発熱を抑えることができるため、損失低減することも可能である。
また、高速回転時等、回転体の変位量が小さい場合は、コントローラゲインが小さくなるので、非線形ゼロパワー制御の問題点であった電磁石の駆動電流のスイッチングによる高周波成分の発生を抑えることができ、より一層の回転損失低減を図ることができる。
このように回転体の安定制御と回転損失低減との両立を実現することができる。

また、本発明では、回転機械に係わる解決手段として、上記第１〜第３いずれかの解決手段に係わる磁気軸受装置を備える、という手段を採用する。
この発明によれば、上記第１及び第２の解決手段に係わる磁気軸受装置を備えることによって、回転速度に関係する原因（危険速度）及び回転速度とは無関係な原因（地震等）に拘わり無く、回転体を安定制御することができ、高速回転時等は回転損失を低減することが可能な回転機械を実現することができる。
さらに上記第３の解決手段に係わる磁気軸受装置を備えることによって、回転体の安定制御と回転損失の低減とを両立することが可能な回転機械を実現することができる。

また、本発明では、磁気軸受装置の制御方法に係わる第１の解決手段として、回転体
の半径方向及び中心軸方向を非接触支持する電磁石を、前記回転体の半径方向及び中心軸方向の変位量に基づいてフィードバック制御する方法において、前記フィードバック制御におけるコントローラゲインを、前記変位量を変数とした増減特性を有する関数により設定する、という手段を採用する。
この発明によれば、コントローラゲインを変位量を変数とした増減特性を有する関数により設定するので、回転体の変位量が大きくなった場合はコントローラゲインが大きくなる。従って回転速度に関係する原因（危険速度）及び回転速度とは無関係な原因（地震等）に拘わり無く、回転体を安定制御することができる。
一方、高速回転時等回転体の変位量が小さい時は、コントローラゲインも小さくなり、回転損失を低減することができる。

また、本発明では、磁気軸受装置の制御方法に係わる第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、増減特性を有する関数は連続関数である、という手段を採用する。
この発明によれば、回転体の変位量に応じてコントローラゲインを連続的に変化させるので、コントローラゲインの急激な変化による過渡応答が原因で発生する過大な振動を防止することができる。

また、本発明では、磁気軸受装置の制御方法に係わる第３の解決手段として、上記第１及び第２の解決手段において、制御手法として非線形ゼロパワー制御を用いる、という手段を採用する。
この発明によれば、非線形ゼロパワー制御を用いることにより、回転体の変位量が大きい場合はコントローラゲインを上げて回転体の制御安定性を確保しつつ、無駄な電力消費や発熱を抑えることができるため、損失低減することも可能である。
また、高速回転時等、回転体の変位量が小さい場合は、コントローラゲインが小さくなるので、非線形ゼロパワー制御の問題点であった電磁石の駆動電流のスイッチングによる高周波成分の発生を抑えることができ、より一層の回転損失低減が実現できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１は磁気軸受装置の構成を概略的に示す縦断面図である。図１において、回転体 の中心軸方向（鉛直方向）をＺ軸とし、互いに直交する２つの半径方向において、紙面に対して平行方向をＸ軸、紙面に対して垂直方向をＹ軸とする。

図１において、符号１は回転体である。２ａ、２ｂ、３ａ及び３ｂは回転体１をＺ軸方向の上下２箇所においてそれぞれＸ軸方向に非接触支持する２組の電磁石（ラジアル電磁石）である。本来ならＹ軸方向も同様に非接触支持する電磁石が存在するが、ここでは簡略化のため省略している。４ａ及び４ｂは回転体１をＺ軸方向に非接触支持する１組の電磁石（アキシアル電磁石）である。５ａ、５ｂ、６ａ及び６ｂは回転体１のＸ軸方向の変位量を検出するための変位センサ（ラジアル変位センサ）である。７は回転体１のＺ軸方向の変位量を検出するための変位センサ（アキシアル変位センサ）である。８ａは回転体１の下部に形成されたフランジ部である。

アキシアル電磁石４ａ及び４ｂは、フランジ部８ａをＺ軸方向の両側から挟むように配置されており、磁気吸引によって回転体１をＺ軸方向の目標浮上位置に保持している。

上下２組のラジアル電磁石２ａ、２ｂ、３ａ及び３ｂは、回転体１をＸ軸方向の両側から挟むように配置されており、磁気吸引によって回転体１をＸ軸方向の目標浮上位置に保持している。

アキシアル変位センサ７は、回転体１の適当箇所に設けられたＺ軸と直交するターゲット面８にＺ軸方向の片側から対向するように配置され、回転体１のＺ軸方向の目標浮上位置からの変位量を変位信号（アキシアル変位信号）として出力する。

ラジアル電磁石２ａ及び２ｂの近傍の回転体１の外周には環状の上部ターゲット９が設けられ、ラジアル電磁石３ａ及び３ｂの近傍の回転体１の外周には環状の下部ターゲット１０が設けられている。ラジアル変位センサ５ａ及び５ｂは、上部ターゲット９をＸ軸方向の両側から挟むように配置されている。同様に、ラジアル変位センサ６ａ及び６ｂは、下部ターゲット１０をＸ軸方向の両側から挟むように配置されている。これらラジアル変位センサ５ａ、５ｂ、６ａ及び６ｂは、回転体１のＸ軸方向の目標浮上位置からの変位量を変位信号（ラジアル変位信号）として出力する。

図２は、本実施形態に係わる磁気軸受装置の制御構成を示すブロック図である。この図において、符号１１は磁気軸受制御部であり、Ｘ軸方向を制御するラジアルゲイン設定部１２及び非線形ゼロパワー制御部１３と、Ｚ軸方向を制御するアキシアルゲイン設定部１２ａ及びＰＩＤ制御部１３ａで構成される。１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆは励磁アンプであり、上記磁気軸受制御部１１の制御の下で電磁石２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂをそれぞれ駆動する。

ラジアル変位センサ５ａ、５ｂ、６ａ及び６ｂによって検出されたラジアル変位信号は
ラジアルゲイン設定部１２へ送られ、アキシアル変位センサ７によって検出されたアキシアル変位信号は、アキシアルゲイン設定部１２ａへ送られる。

ラジアルゲイン設定部１２には、図３（ａ）のような変位量ｘを変数とする連続的な増減特性を有する関数Ｇ（ｘ）が定義されており（以下ラジアルゲイン関数と呼ぶ）、このラジアルゲイン関数Ｇ（ｘ）にラジアル変位信号から得られた変位量ｘを入力して求められる値、ラジアルゲインＧを算出する。同様にアキシアルゲイン設定部１２ａにおいてもＺ軸方向の変位量ｚを変数とするアキシアルゲイン関数Ｇ（ｚ）が定義される。

非線形ゼロパワー制御部１３は、ラジアル変位信号に基づき、回転体１がＸ軸方向の目標浮上位置に保持されるようにフィードバック制御を行う。この非線形ゼロパワー制御部１３は、図３（ｂ）のような周波数特性を持つコントローラゲインＫ（ｆ）を持っているが、従来では、このコントローラゲインＫ（ｆ）は一定であり変化しない。

本実施形態では、非線形ゼロパワー制御部１３は、ラジアルゲイン設定部１２で算出されたラジアルゲインＧをコントローラゲインＫ（ｆ）に乗算することによってコントローラゲインＫ（ｆ）を変化させる。図３（ｃ）は、変位量ｘが０〜０．５ｍｍの範囲で回転体１が変位した場合のコントローラゲイン（Ｇ×Ｋ（ｆ））の変化を示すものである。この図に示すように、コントローラゲイン（Ｇ×Ｋ（ｆ））は変位量ｘに応じて連続的に変化する。

非線形ゼロパワー制御部１３は、上記のようにして得られたコントローラゲイン（Ｇ×Ｋ（ｆ））とラジアル変位信号とに基づいて励磁アンプ操作信号を生成する。励磁アンプ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ及び１５ｄは、上記のようにして生成された励磁アンプ操作信号に基づき、電磁石２ａ、２ｂ、３ａ及び３ｂへ駆動電流を供給する。

上記はＸ軸方向の場合について説明したが、Ｙ軸に対しても同様に変位量ｙを変数とするＧ（ｙ）を定義することによって非線形ゼロパワー制御部１３のコントローラゲインを連続的に変化させる構成となる。ただし、本実施形態では、Ｚ軸方向についてはフィードバック制御として非線形ゼロパワー制御ではなくＰＩＤ制御を用いている。これは、Ｚ軸方向は常に電磁石４ａ及び４ｂに駆動電流を供給して浮力を発生させる必要があるからである。従って、Ｚ軸方向はフィードバック制御として通常用いられるＰＩＤ制御によって制御している。すなわちアキシアルゲイン関数Ｇ（ｚ）によってＰＩＤ制御部１３ａのコントローラゲインを連続的に変化させ、励磁アンプ１５ｅ及び１５ｆを介して電磁石４ａ及び４ｂに駆動電流を供給する。

次に、本実施形態の制御性能について、磁気軸受装置の概念的モデル及び試験装置の検証結果に基づいて説明する。以下の説明において、本実施形態の制御方法を可変ゲイン制御と呼び、従来の制御方法を定数ゲイン制御と呼ぶ。

図４は、図１においてＸ軸方向だけを考えた１自由度系モデル図である。このモデルは、回転体１とラジアル電磁石１６ａ及び１６ｂから構成され、回転体１の変位はＸ軸方向のみに発生する。図５は、このようなモデルにおいて、回転体１に初期変位１００μｍを与えた場合の変位応答の収束性を解析した結果を示している。

図５（ａ）に示すように、回転体１の変位は可変ゲイン制御と定数ゲイン制御共に同様の応答で収束している。また、図５（ｂ）に示すように回転体１の変位が大きいとラジアルゲインＧも大きくなり、回転体１の変位が零になると、ラジアルゲインＧは定数ゲイン制御と比較して１／４程度に抑えられていることがわかる。

次に危険速度通過時の応答を検証した結果を図６に示す。図６は、図４のモデルに不釣り合い１００ｇｍｍに相当する変位外乱を与えた場合の最大変位及びラジアルゲインＧと振動周波数との関係を示す。

図６（ａ）の変位応答及び図６（ｂ）のゲイン応答に示すように、ラジアルゲイン関数Ｇ（ｘ）を用いることによって、共振を起こして変位が大きい時（危険速度通過時）はラジアルゲインＧは大きくなり、共振が収まった後の高周波領域でラジアルゲインＧは０．６程度と小さくなることがわかる。よって、外乱が発生した場合コントローラゲイン（Ｇ×Ｋ（ｆ））は大きくなり、安定した制御を行え、外乱が収まった高速回転時はコントローラゲイン（Ｇ×Ｋ（ｆ））は小さくなり、低損失化が可能であることがわかる。

次に、モデルを用いた解析結果の妥当性を検証するために実際に使用した磁気軸受試験装置の概略図を図７に示す。この試験装置は、回転体１を上下２つのラジアル電磁石２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂによってＸ軸方向を非接触支持し、下面をすべり軸受１７で支持する構造になっている。また、ラジアル変位センサ５ａ、５ｂ、６ａ及び６ｂによって回転体１の変位量を検出している。この試験機を用いて非制御状態から制御を開始する浮上試験を実施した。図８は図７をモデルとして解析したもので、初期変位１４０μｍを与えた場合の変位応答の解析結果を図８（ａ）に示し、駆動電流応答の解析結果を図８（ｂ）に示す。図９は実際に試験装置で検証したもので、同様に初期変位１４０μｍを与えた場合の変位応答の実験結果を図９（ａ）に示し、駆動電流応答の実験結果を図９（ｂ）に示す。

図８及び図９より、変位応答、駆動電流応答の解析結果は実験結果と比較して定性的に一致する事が確認され、解析の妥当性が示された。また、表１に示すように変位が零に静定した後の駆動電流を見ると、本発明の可変ゲイン制御は、従来の定数ゲイン制御と比較してＤＣ成分は１／３、高周波成分(ＡＣ成分のオーバーオール（ＯＡ）値で比較した)は２／３になっており、非線形ゼロパワー制御の問題点である高周波成分の低減についても有効性が示された。

上記では可変ゲイン制御の効果をＸ軸方向の変位についてのみ説明したが、Ｙ軸方向についても同様な効果を得ることができる。また、Ｚ軸方向に関しては、非線形ゼロパワー制御ではなくＰＩＤ制御を行っているが、この場合も変位量ｚを変数とするアキシアルゲイン関数Ｇ（ｚ）によってＰＩＤ制御部１３ａのコントローラゲインを連続的に変化させるので、変位に応じた最適なコントローラゲインによって回転体１のＺ軸方向を安定制御することができる。

以上説明したように本実施形態の磁気軸受装置によると、回転体１の変位量に応じて連続的にコントローラゲインを変化させるため、回転速度に関係する原因（危険速度通過時）及び回転速度とは無関係な原因（地震等）に拘わりなく回転体１の変位を抑制して、より確実な安定制御を実現することができる。また、コントローラゲインを連続的に変化させるため、コントローラゲインの急激な変化による過渡応答が原因で発生する過大な振動を防止することができる。

一方、Ｘ軸及びＹ軸方向に関しては非線形ゼロパワー制御を用いることで、外乱によって回転体１の目標浮上位置からの変位が大きくなりコントローラゲインが大きい時でも、電力損失や発熱等を抑えて損失を低減することが可能である。また、回転損失が大きい高速回転中では、変位は小さいのでコントローラゲインも小さくなり、非線形ゼロパワー制御の問題点である駆動電流のスイッチングにより発生する高周波成分を抑えることができるため、更なる回転損失低減を図ることができる。このように、回転体１の安定制御と回転損失低減とを両立する磁気軸受装置を実現することができる。

本発明の実施形態における磁気軸受装置の構成を概略図である。 本発明の実施形態における磁気軸受制御部のブロック図である。 本発明の実施形態におけるコントローラゲイン設定方法を示す図である。 本発明の効果を検証するための１自由度系モデル図である。 図４において初期変位を与えた場合の変位応答及びゲイン応答を示す。 図４において変位外乱を与えた場合の変位応答及びゲイン応答を示す。 本発明の効果を検証するための磁気軸受試験装置の概略図である。 図７の磁気軸受試験装置をモデルとした解析結果である。 図７の磁気軸受試験装置で浮上試験した時の実験結果である。

符号の説明

１・・ 回転体、２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ・・ラジアル電磁石、４ａ、４ｂ・・アキシアル電磁石、５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ・・ラジアル変位センサ、７・・アキシアル変位センサ、１１・・磁気軸受制御部、１２・・ラジアルゲイン設定部、１３・・非線形ゼロパワー制御部

Claims (7)

1. 回転体と、該回転体の半径方向及び中心軸方向を非接触支持する電磁石と、前記回転体の半径方向及び中心軸方向の変位量を検出する変位センサと、該変位センサからの変位信号に基づいて前記電磁石をフィードバック制御する磁気軸受制御部とから成る磁気軸受装置であって、
   前記磁気軸受制御部は、前記変位量を変数とした増減特性を有する関数によりコントローラゲインを設定することを特徴とする磁気軸受装置。
2. 増減特性を有する関数は、連続関数であることを特徴とする請求項１記載の磁気軸受装置。
3. 磁気軸受制御部の制御手法として、非線形ゼロパワー制御を用いることを特徴とする請求項１または請求項２記載の磁気軸受装置。
4. 請求項１〜３いずれかに記載の磁気軸受装置を備えることを特徴とする回転機械。
5. 回転体の半径方向及び中心軸方向を非接触支持する電磁石を、前記回転体の半径方向及
   び中心軸方向の変位量に基づいてフィードバック制御する方法であって、
   前記フィードバック制御におけるコントローラゲインを、前記変位量を変数とした増減特性を有する関数により設定することを特徴とする制御方法。
6. 増減特性を有する関数は連続関数であることを特徴とする請求項５記載の制御方法。
7. 制御手法として、非線形ゼロパワー制御を用いることを特徴とする請求項５または請求項６記載の制御方法。
   
   
   

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